3WP-200型智能植保机器人纵横向极限稳定性分析

张义胜　侯心爱　章杰成　田凯　巩彬　张希峰

摘要：为确保3WP-200型智能植保机器人的作业稳定性，分析其行走系统的受力情况，计算其发生上下坡纵翻和坡上横翻的临界条件。分析结果表明：机器人满载时，上坡时最大坡度<49.23°，下坡时最大坡度<60.11°;横向行驶时，质心偏心距值朝下和朝上的最大坡度分别为30.11°和35.75°。

关键词：植保机器人;稳定性;分析;纵横向

中图分类号：S491    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2021）06-0028-02

针对丘陵山区地块小、地势不平、植保作业条件差等特点，研制3WP-200型智能植保机器人。该机型尺寸小，转弯作业灵活，具有良好的地形适应性和通过性，容易进入丘陵山区狭小地块作业。由于丘陵山区地形不平、坡度大，植保机器人经常需要爬坡运行，需要其纵横向具有较高的稳定性。为此，分析植保机器人行走系统的受力情况，计算其发生上下坡纵翻和坡上横翻的临界条件，探讨提高3WP-200型植保机器人纵横向稳定性的措施。

1 机器人上下坡纵翻临界条件

植保机器人的坡上行走稳定性，基本上由其结构参数决定。植保机器人上下坡行走时，容易发生纵向翻倒。以植保机器人等速上坡为例，分析植保机器人纵翻的临界条件。植保机器人满载等速上坡时的受力情况如图1所示。

在图1中，N1，N2为地面对前、后轮胎的垂直反作用力;G为机器人满载重力;a和b分别为机器人满载质心到前后轴的距离，取870 mm和580 mm;h为机器人满载质心高度，500 mm;β为纵向坡角度;机器人轴距1 450 mm。

在图1中，分别对机器人前、后轮胎接地点取力矩，则地面对前、后轮胎的切向反作用力分别F1和F2为：

随着道路纵向坡度角的增大，F1值减小。当F1=0时，植保机器人将失去转向能力，可能发生绕后轴的纵向翻倒。由F1=0可得：bGcosβ-hGsinβ=0。

经计算得到植保机器人等速上坡时发生纵翻的临界条件：

式中，βmax上为植保机器人上坡时不翻车的最大坡度角;b为机器人满载质心到前后轴的距离，取580 mm;h为机器人满载质心高度，500 mm。

由式（1）计算得到：βmax上=49.23 °。

同理可得植保机器人等速下坡时发生縱翻的临界条件，即下坡时不翻车的最大坡度角为60.11 °。

2 机器人坡上横翻临界条件

车辆横向稳定性控制历来是研究人员关注的重点。植保机器人满载等速坡上横向行驶时，其受力情况如图2所示。

图2中：N1，N2为地面对左、右轮胎的垂直反作用力;F1，F2为地面对左、右轮胎的切向反作用力;G为机器人满载重力;h为机器人满载质心高度，500 mm;β为纵向坡角度;B为机器人轮距，650 mm;e为机器人满载质心到宽度中心的偏心距，35 mm。

对机器人左右轮胎接地点取力矩，则得：

随着道路坡度角的增大，F1值减小。当F1=0时，植保机器人将失去转向能力，可能发生绕左轮胎横向翻倒。由F1=0可得：（0.5B-e）Gcosβ-hGsinβ=0。

机器人质心偏心距e值朝下坡方向时，植保机器人等速坡上横向行驶时发生横翻的临界条件：

βmax横下=arctan30.11 °。30.11 °为植保机器人坡上横向行驶时不翻车的最大坡度角。

当机器人质心偏心距e值朝上坡方向时，则βmax横上=arctan=35.75 °。

3 结论

当植保机器人满载上下坡进行农药喷洒作业时，下坡稳定性大于上坡。上坡时最大坡度要低于49.23°，下坡时最大坡度要低于60.11 ° 。当植保机器人满载后者坡上横向作业时，如果机器人质心偏心距e值朝下坡方向，最大坡度要低于30.11 °;如果机器人质心偏心距e值朝上坡方向，最大坡度要低于35.75 °。考虑到安全系数、驻车制动等因素，实际最大坡度应远低于上述计算值。

为提高植保机器人的稳定性，在坡上进行农药喷洒作业时，应尽量避免满载运行，即减少药箱的装药量，降低机器人质心高度。作业时，适当降低作业速度也有利于提高稳定性。保机器人坡上横向行驶农药喷洒作业时，可改变植保机器人行走方向，使机器人质心偏心距e值朝上坡方向，有利于提高稳定性。

参考文献

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[3] 罗杰. 四足机器人的振动特性与极限稳定性研究[D].桂林：桂林理工大学，2020.

Analysis of the Vertical and Horizontal Ultimate Stability of the 3WP-200

Type Intelligent Plant Protection Robot

ZHANG Yisheng1， HOU Xin'ai1， ZHANG Jiecheng2， TIAN Kai2， GONG Bin1， ZHANG Xifeng1

（1. Zibo City Institute of Agricultural Mechanization， Zibo Shandong 255086， China; 2. Shandong Luhong Agricultural Science and Technology Co.， Ltd.， Qufu Shandong 273100， China）

Abstract： In order to ensure the operation stability of the 3WP-200 intelligent plant protection robot， this paper analyzed the force situation of its walking system， and calculated the critical conditions of its uphill and downhill vertical turning and upper slope crossing. The analysis showed that when the robot was fully loaded， the maximum slope was < 49.23 ° when it was uphill， and the maximum slope< 60.11 ° when it was downhill. When driving laterally， the maximum slope of centroid eccentricity value is 30.11 ° downward and 35.75 ° upward， respectively.

Key words： plant protection robot; stability; analysis; vertical and horizontal

收稿日期：2021-07-08

基金项目：2019年山东省农业重大应用技术创新项目（SD2019NJ005）

作者简介：张义胜（1962—），男，正高级工程师，从事粮食种植及收获机械方面的研究。